低噪聲放大器的設計射頻課程設計

1、 射頻設計報告低噪聲放大器的設計 目 錄1 前言12 低噪聲放大器的主要技術指標22.1 工作頻率與帶寬22.2 噪聲系數22.3 增益22.4 放大器的穩(wěn)定性32.5 輸入阻抗匹配32.6 端口駐波比和反射損耗43 低噪聲放大器的設計指標54 設計方案64.1 直流分析及偏置電路的設計64.2 穩(wěn)定性分析94.3 匹配網絡設計104.4 最大增益的輸出匹配134.5 匹配網絡的實現174.6 版圖的設計185. 學習心得25參考文獻261 前言低噪聲放大器(low noise amplifier，LNA)是射頻接收機前端的重要組成部分。它的主要作用是放大天線從空中接收到的微弱信號，足夠高的增

2、益克服后續(xù)各級(如混頻器)的噪聲，并盡可能少地降低附加噪聲的干擾，以供系統(tǒng)解調處所需要的信息。LNA一般通過傳輸線直接和天線或天線濾波器相連，由于處于接收機的最前端，其抑制噪聲的能力直接關系到整個接收系統(tǒng)的性能。因此LNA的指標越來越嚴格，不僅要求有足夠小的低噪聲系數，還要求足夠高的功率增益，較寬的帶寬，在接收帶寬內功率增益平坦度好。該設計利用微波設計領域的ADS軟件，結合低噪聲放大器設計理論，利用S參數設計出結構簡單緊湊，性能指標好的低噪聲放大器。低噪聲放大器， 它的噪聲系數很低。一般用作各類無線電接收機的高頻或中頻前置放大器，以及高靈敏度電子探測設備的放大電路。在放大微弱信號的場合，放大器

3、自身的噪聲對信號的干擾可能很嚴重，因此希望減小這種噪聲，以提高輸出的信噪比。安捷倫公司的ATF54143是一種增強型偽高電子遷移率晶體管( E-pHEMT) , 不需要負柵極電壓, 與耗盡型管相比較, 可以簡化排版而且減少零件數, 該晶體管最顯著的特點是低噪聲, 并具有高增益、高線性度等特性, 他特別適用于工作頻率范圍在450MHz6GHz 之間的蜂窩/ PCS/ WCDMA基站、無線本地環(huán)路、固定無線接入和其他高性能應用中的第一階和第二階前端低噪聲放大器電路中。2 低噪聲放大器的主要技術指標 2.1 工作頻率與帶寬 放大器所能允許的工作頻率與晶體管的特征頻率Ft有關，由晶體管小信號模型可知，

4、減小偏置電流的結果是晶體管的特征頻率降低。在集成電路中，增大晶體管的面積使極間電容增加也降低了特性頻率。LNA 的帶寬不僅是指功率增益滿足平坦度要求的頻帶范圍，而且還要求全頻帶內噪聲要滿足要求，并給出各頻點的噪聲系數。動態(tài)范圍的上限是受非線性指標限制，有時候要求更加嚴格些，則定義為放大器非線性特性達到指定三階交調系數時的輸入功率值。2.2 噪聲系數在電路某一特定點上的信號功率與噪聲功率之比，稱為信號噪聲比，簡稱信噪比，用符號Ps/Pn(或S/N)表示。放大器噪聲系數是指放大器輸入端信號噪聲功率比Psi/Pni 與輸出端信號噪聲功率比Pso/Pno 得比值。噪聲系數的物理含義是：信號通過放大器之

5、后，由于放大器產生噪聲，使信噪比變壞；信噪比下降的倍數就是噪聲系數。影響放大器噪聲系數的因素有很多，除了選用性能優(yōu)良的元器件外，電路的拓撲結構是否合理也是非常重要的。放大器的噪聲系數和信號源的阻抗有關，而與負載阻抗無關。當一個晶體管的源端所接的信號源的阻抗等于它所要求的最佳信號源阻抗時，由該晶體管構成的放大器的噪聲系數最小。實際應用中放大器的噪聲系數可以表示為2.3 增益根據線型網絡輸入、輸出端阻抗的匹配情況，有三種放大器增益： 工作功率增益GP(operating power gain) 、轉換功率增益GT(transducer power gain)、資用功率增益GA（available

6、power gain）。低噪聲放大器的增益要適中，太大會使下級混頻器輸入太大，產生失真。但為了抑制后面各級的噪聲對系統(tǒng)的影響，其增益又不能太小。放大器的增益首先與管子跨導有關，跨導直接由工作點的電流決定。其次放大器的增益還與負載有關。低噪聲放大器大都是按照噪聲最佳匹配進行設計的。噪聲最佳匹配點并非最大增益點，以此增益G 要下降。噪聲最佳匹配情況下的增益成為相關增益。通常，相關增益比最大增益大約低2-4dB。增益平坦度是指功率最大增益與最小增益之差，它用來描述工作頻帶內功率增益的起伏, 常用最高增益與最小增益之差，即G(dB)表示。2.4 放大器的穩(wěn)定性放大器必須滿足的首要條件之一是其在工作頻段

7、內的穩(wěn)定性。這一點對于射頻電路是非常重要的，因為射頻電路在某些工作頻率和終端條件下有產生振蕩的趨勢?？疾祀妷翰ㄑ貍鬏斁€的傳輸，可以理解這種振蕩現象。若傳輸線終端反射系數01，則反射電壓的幅度變大（正反饋）并導致不穩(wěn)定的現象。反之，若01，將導致反射電壓波的幅度變?。ㄘ摲答仯?。當放大器的輸入和輸出端的反射系數的模都小于1,即in1, out1 時，不管源阻抗和負載阻抗如何，網絡都是穩(wěn)定的，稱為絕對穩(wěn)定；當輸入端或輸出端的反射系數的模大于1時，網絡是不穩(wěn)定的，稱為條件穩(wěn)定。對條件穩(wěn)定的放大器，其負載阻抗和源阻抗不能任意選擇，而是有一定的范圍，否則放大器不能穩(wěn)定工作。2.5 輸入阻抗匹配低噪聲放大器

8、與其信號源的匹配是很重要的。放大器與源的匹配有兩種方式：一是以獲得噪聲系數最小為目的的噪聲匹配，二是以獲得最大功率傳輸和最小反射損耗為目的的共軛匹配。2.6 端口駐波比和反射損耗低噪聲放大器主要指標是噪聲系數，所以輸入匹配電路是按照噪聲最佳來設計的，其結果會偏離駐波比最佳的共扼匹配狀態(tài)，因此駐波比不會很好。此外，由于微波場效應晶體或雙極性晶體管，其增益特性大體上都是按每倍頻程以6dB 規(guī)律隨頻率升高而下降，為了獲得工作頻帶內平坦增益特性，在輸入匹配電路和輸出匹配電路都是無耗電抗性電路情況下，只能采用低頻段失配的方法來壓低增益，以保持帶內增益平坦，因此端口駐波比必然是隨著頻率降低而升高。 3 低

9、噪聲放大器的設計指標下面提出所設計的寬帶低噪聲放大器需要考慮的指標： (1)工作頻帶：2.42.5 GHz。工作頻帶僅是指功率增益滿足平坦度要求的頻帶范圍，而且還要在全頻帶內使噪聲系數滿足要求。(2)噪聲系數：FN1是穩(wěn)定狀態(tài)。只有當3個條件都滿足時，才能保證放大器是覺得穩(wěn)定的。新建原理圖，添加各種元器件并設置相應參數后，原理圖如圖4-6所示圖4-6 加入直流扼流和射頻扼流的原理圖另外，放大器的直流和交流通路之間要添加射頻扼流電路，它實質上是一個無源低通電路，式直流偏執(zhí)信號（低頻信號）能傳輸到晶體管引腳，而晶體管的射頻信號（頻率很高，在本設計中是2,4GHz的傳輸信號不要進入直流通路），實際上

10、一般是一個電感，有時也會加一個旁路電容接地，在這里用扼流電感代替。同時，直流偏置信號不能傳到兩端端口，需要加隔直電容。通過仿真，我們可以得到最大增益和穩(wěn)定系數K與頻率的關系，如圖4-7所示。圖4-7 最大增益和穩(wěn)定系數K與頻率的曲線4.3 匹配網絡設計匹配網絡的設計。在增益15dB 的圓上選取盡量靠近最小噪聲點的源反射系數作為輸入匹配點，這樣就獲得了最佳噪聲系數匹配條件，使放大器滿足低噪聲的要求的同時又能實現足夠的增益。圖4-8 Smith圓圖圖4-8顯示出m4是LAN有最大增益時的輸入端阻抗，此時可獲得增益約為16dB，m5是LAN有最小噪聲系數時的輸入端阻抗，此時可獲得最小噪聲指數為0.4

11、28dB。但是這兩點并不重合，設計師必須在增益和噪聲指數之間做一個權衡和綜合考慮。經過簡單計算得到out=0.4973-20.2254 ， 輸出端取共軛匹配， 即L=out*=0.497320.2254，接下來開始進行輸入輸出匹配網絡的設計。設計匹配網絡的方法很多，有圖解法，計算機輔助設計法等。ADS 提供了多種方便快捷的匹配網絡設計工具，如無源電路的集總參數元件、微帶單枝節(jié)、微帶雙枝節(jié)等多種智能元件，本文利用ADS 的smith 圓圖綜合工具很清晰方便的實現自動匹配網絡設計。其方法是在元件面板列表選擇實用Simth 圓圖工具Smith Chart Matching，然后在工具菜單欄中選擇Sm

12、ith Chart Utility 工具，輸入負載反射系數后，就可以利用ADS 所提供的這種智能元件進行阻抗匹配設計，最后自動生成子網絡。圖4-9 輸入輸出匹配框圖 添加Smith圓圖匹配工具DA_SmithCHartMatch，最終原理圖如圖4-10所示。 圖4-10 加入Smith圓圖匹配工具的原理圖圖4-11 Smith CHart Utility中微帶線匹配圖4-12 匹配子電路輸出匹配網絡的設計采用S 參數優(yōu)化方法，S 參數設計法是將晶體管看做是一個黑盒子，只知道它的端口參數，是從系統(tǒng)或者網絡的角度出發(fā)來設計放大器。首先設定匹配網絡的集總器件為優(yōu)化變量，優(yōu)化的目標為噪聲系數、增益、輸

13、入駐波比、輸出駐波比等，給上述原理圖增加優(yōu)化仿真器OPTIM 和優(yōu)化目標控件GOAL。注意在OPTIM 中設定仿真變量，并將設計目標值作為仿真目標，優(yōu)化仿真變量設計參數，然后選擇適合的優(yōu)化方式，常用的主要是Random（隨機法）和Gradient（梯度法），隨機法通常用于大范圍搜索時使用，梯度法則用于局域收斂，不同方法有不同的元件變量漸進方式，應根據收斂速度和誤差函數公式進行選擇。最后選擇迭代次數后進行優(yōu)化仿真，通過不斷對優(yōu)化變量的調整，得到滿足穩(wěn)定性、噪聲系數和增益等目標的電路，實際在進行分析的時候，還需要根據具體情況及有關理論加入一些有助于提高電路性能的細節(jié)。4.4 最大增益的輸出匹配在原

14、理圖中添加Zin控件，并改為輸出阻抗，如圖4-13所示圖4-13 加入Zin控件并改為輸出阻抗在數據顯示窗口中單擊圖標，選擇Zin2的實部和虛部，如圖4-14所示。圖4-15所示為顯示的曲線。圖4-14 在數據窗口中打開Zin控件圖4-15 輸出阻抗的曲線從圖中可以看出，輸出阻抗為57.134-j37.291Ohm（即S22）。為了達到最大增益，輸出匹配電路需要把50Ohm匹配到Zin2的共軛，如圖4-16所示。圖4-16 輸出輸出匹配框圖使用DA_SmithCHartMatch工具來做輸出端匹配電路，如圖4-17所示。圖4-17 用DA_SmithCHartMatch工具來做輸出匹配 雙擊D

15、A_SmithCHartMatch控件，在彈出的Smith Char Marching Network對話框中設置相關參數如圖4-18所示。圖4-18 設置Smith Char Marching參數在執(zhí)行菜單命令Designguideamplifjier，在彈出的對話框中選擇Smith chart ulility。在Smith chart ulility窗口中單擊。如圖4-19所示。圖4-19 加了輸出阻抗的smith chart ulility然后單擊按鈕，生成電路。在原理圖中開始仿真，其結果如圖4-20所示。圖4-20 輸入輸出電路完成后的仿真結果4.5 匹配網絡的實現前面用到的都是理想微

16、帶線，器參數只有特性阻抗、電長度和頻率，接下來需要把它轉換成實際的表明物理長寬的微帶線。表4-1列出了四段匹配微帶線的電長度和用LinCale工具計算出的物理長度。所有微帶線的特征阻抗都是50Ohm。表4-1 微帶線的電長度和物理長度返回原理圖，把所有的理想微帶線全換成表4-1中的實際物理長度，原理圖如圖4-21所示。圖4-21 把所有的理想微帶線換成實際物理長度的原理圖運行仿真，結果如圖4-22所示。圖4-22 S參數仿真結果4.6 版圖的設計在原理圖設計時，低噪聲放大器電路的分離電容和分離電感采用的是Murata公司提供的庫，在layout界面里同樣可以看到這個Murata庫，這里面就不再

17、是電容電感的電路符號，而是封裝圖，如圖4-23所示。圖4-23 Murata自帶封裝對于電阻，可以使用ADS庫里自帶的分立器件的封裝，也可以自己繪制，Avago公司提供的ATF54143晶體管也沒有提供ADS軟件使用的layout封裝，接下來將介紹如何繪制ATF54143版圖。查詢ATF54143的數據手冊可知，ATF54143為表面安裝器件，具體形狀如圖4-24所示。圖4-24 ATF54143表面安裝器件外形圖ATF54143封裝的外形尺寸如圖4-25所示。圖4-25 ATF54143封裝的外形尺寸接下來介紹版圖的繪制過程。（1）在ADS里新建layout，命名為ATF54143_Pad_

18、layout。（2）在layout的cond層中繪制如圖4-24所示的焊盤，其結果如圖2-26所示。圖4-26 ATF54143 cond層的焊盤（3）在lead層中繪制和如圖4-26一樣的矩形，如圖4-27所示。圖4-27 ATF54143 lead層（4）在package層中繪制ATF54143的表面裝配的封裝，如圖4-28所示。圖4-28 ATF54143版圖 （5）設置ATF54143的柵極，源極和漏極，最終晶體管版圖如圖4-29所示。圖4-29 ATF54143版圖（6）執(zhí)行菜單命令schematicgenerate/upgrade，生成原理圖并將整個文件保存。（7）打開低噪聲放大電路的原理圖，在原理圖窗口單擊鼠標右鍵，從彈出的菜單中選擇componentedit component artwork命令，彈出component artwork對話框，在artwork type下拉列表中選擇fixed選項，在artwork name中選擇剛才創(chuàng)建的ATF54143的封裝版圖文件，如圖4-30所示。圖4-30 導入ATF54143封裝版